Vysokorychlostní pec

Úvod

Odhadovaná doba měření - spolu se spolehlivostí a významem výsledků - hraje často důležitou roli v téměř každé analytické otázce. Čím intenzivněji jsou analytické metody propojeny s výrobními procesy, tím je to důležitější. Zatímco při výzkumu a vývoji nových materiálů se časy měření pro charakterizaci vlastností plánují jako samozřejmost, při procesní analýze je to kapacita výrobních závodů, která určuje intervaly, v nichž se musí ověřovat vlastnosti a kvalita výrobků. Analýzy pro zajištění kvality se proto často musí realizovat on-line během výrobního procesu, nebo je musí být možné provést alespoň v rozmezí několika minut pro kontrolu náhodného odběru vzorků.

V minulosti bylo obtížné pokrýt tyto oblasti pomocí termické analýzy, protože běžné analýzy trvají v závislosti na měřicím programu od 30 minut do několika hodin. Doba měření závisí především na zkoumaném materiálu a/nebo na rozsahu teplot, které je třeba pro charakteristické vlastnosti materiálu zkoumat. Rozhodujícími parametry jsou zde také použité rychlosti ohřevu a chlazení. Ty jsou zase zásadně závislé na konstrukčním řešení pecí a analytických přístrojů. A právě zde nově vyvinutá vysokorychlostní pec nastavuje nová měřítka.

U běžných termoanalytických přístrojů jsou běžné rychlosti ohřevu a chlazení od 1 K/min do 20 K/min, zatímco potenciální rozsah je od 0,001 K/min do 100 K/min; nová vysokorychlostní pec naproti tomu umožňuje rychlosti ohřevu až 1000 K/min. Již rychlost ohřevu 500 K/min zkracuje dobu měření z pokojové teploty na 1000 °C na méně než dvě minuty, a tím enormně zvyšuje průchodnost vzorku.

Koncept

Nová vysokorychlostní pec nevyžaduje samostatný přístroj, ale rozšiřuje zavedenou platformu 400 o další typ pece. Koncepce platformy umožňuje vybavit měřicí přístroj zdvižným zařízením pro dvě pece. Vysokorychlostní pec lze tedy namontovat na dvojité zvedací zařízení v kombinaci s dalšími pecemi. Místo druhé pece lze volitelně použít automatický měnič vzorků (ASC) pro vysokorychlostní pec. Modulární flexibilita a zejména možnost kombinace vysokorychlostní pece s ASC šetří velké množství času, a tím přímo vede ke zvýšení průchodnosti vzorků.

Následující typy pecí pro přístroje řady STA 449F1 a STA 449 F3 jsou nyní k dispozici.

Nastavení

Na obrázku 2 je znázorněn průřez vysokorychlostní pece. Je vidět, že vysokorychlostní pec se neliší od ostatních pecí platformy 400, pokud jde o hlavní konstrukční body, jako jsou měřicí hlavice, poloha stanovení teploty vzorku, průtok plynu a oddělení komory pro vzorek a vážicí komory.

Ve vysokorychlostní peci lze rovněž použít velké množství typů kelímků a materiálů. To zaručuje ideální srovnatelnost výsledků zkoušek, a to i v případě, že byly získány s různými typy pecí.

Vlastní topné těleso vysokorychlostní pece tvoří odporově vyhřívaná platinová síťka. Ochranná trubice odděluje komoru pro vzorky od vnějšího prostoru a umožňuje práci v čisté atmosféře vzorků pomocí evakuace a zaplavení komory pro vzorky.

Výsledky měření

Kromě měření při vysokých rychlostech ohřevu byla na vysokorychlostní peci provedena také měření při běžných rychlostech ohřevu 10 K/min a 20 K/min, aby byla zaručena srovnatelnost výsledků zkoušek s výsledky získanými pomocí jiných termoanalytických přístrojů.

Prezentace naměřené teploty vzorku v závislosti na čase na obrázku 3 ukazuje lineární rychlosti ohřevu v rozsahu od 10 K/min do 500 K/min.

Potvrdilo se tak, že vysokorychlostní pec nemusí být omezena na rychlé rychlosti ohřevu, ale že je dokonale schopna zvládnout i běžnější aplikace.

Změna rychlosti ohřevu za jinak stejných zkušebních podmínek posouvá výsledky k vyšším teplotám s rostoucí rychlostí ohřevu. Jedná se o dobře známou korelaci, která dále umožňuje kinetické vyhodnocení naměřených dat pomocí speciálně vyvinutého nástroje NETZSCH Thermokinetics softwaru.

Pokud je známa korelace mezi změnami rychlostí ohřevu a jejich vlivem na naměřené údaje a lze ji matematicky popsat, lze měření provádět rychle, aniž by bylo nutné vzdát se návaznosti naměřených údajů na známé vlastnosti vzorku, jak jsou uvedeny například v ročenkách NETZSCH.

Na příkladu pyrolýzy polypropylenu (PP) se poukáže na závislost výsledků na rychlosti ohřevu.

Obrázek 4 nejprve ukazuje, že při zkoumání polypropylenu za stejných podmínek pomocí dvou různých termogravimetrických přístrojů (TG 209 F1 a STA 449 F1 ) nejsou ve výsledcích měření významné rozdíly.

To je pozoruhodné, protože eometrie pece, a tedy i podmínky proudění proplachovacích plynů se liší.

Kromě výsledků relativní změny hmotnosti (TGA) je na obrázku 4 znázorněna její první derivace, tj. rychlosti změny hmotnosti, jako čárkované čáry (DTG). Při vyhodnocení teplot pro rychlosti ohřevu 10, 20, 50, 100, 200 a 500 K/min, kdy je rychlost úbytku hmotnosti maximální (minimum křivky DTG), se získá závislost pyrolýzy propylenu na rychlosti ohřevu. To je znázorněno na obrázku 5.

Logaritmické škálování rychlostí ohřevu dává přímku, jak je vidět na obrázku 6. Chybové úsečky zobrazené na obrázcích 5 i 6 ve směru y nezobrazují skutečné chyby, ale pouze interval spolehlivosti ± 2,5 K.

Při tepelném zpracování uhličitanu vápenatého (CaCO3) dochází při teplotách nad 600 °C k rozkladné reakci, při níž vzniká oxid vápenatý (CaO) a oxid uhličitý (CO2) podle následující rovnice:

Zatímco pevný CaO zůstává v kelímku se vzorkem, CO2 i proud čisticího plynu opouštějí přístroj výstupem. Množství vzniklého_CO2 lze kvantifikovat jako hmotnostní ztrátu.

Na obrázku 7 jsou uvedeny výsledky série zkoušek, které byly provedeny za stejných podmínek měření, jaké byly popsány pro PP. Kroky hmotnostních ztrát nejsou závislé na rychlosti ohřevu; teploty rozkladu (minimum DTG) se posouvají k vyšším teplotám, jak se zvyšuje rychlost ohřevu.

Rychlost úbytku hmotnosti se zvyšuje z 5,1 %/min na 128,8 %/min při zvýšení rychlosti ohřevu z 10 K/min na 500 K/min (obr. 8).

To ukazuje, že vliv rychlosti ohřevu na výsledky měření se řídí vysledovatelným zákonem.

Tento vztah je rozhodující pro porovnání výsledků měření, které byly stanoveny při různých rychlostech ohřevu.

Materiály pro výrobky, jako jsou brzdové destičky, lze nyní analyzovat za provozních podmínek. Během brzdění se kinetická energie přenáší na teplo prostřednictvím tření. Materiál tak může být vystaven velmi vysokým teplotám ve velmi krátkém časovém úseku.

Rychlost ohřevu 500 K/min umožňuje analyticky reprodukovat tyto extrémní provozní podmínky (obr. 9).

Tabulka 1: Technické údaje vysokorychlostní pece

Technická data Vysokorychlostní pec

Souhrn

Nová vysokorychlostní pec představuje rozšíření zavedené platformy 400, které zvyšuje její již tak všestranný potenciál. Některé z nich zahrnují možnost kombinace vysokorychlostní pece s jinými pecemi na zařízení s dvojitým výtahem nebo s automatickou výměnou vzorků (ASC). Srovnatelnost výsledků měření vysokorychlostní pece s výsledky měření jiných termogravimetrických přístrojů byla demonstrována na příkladu pyrolýzy polypropylenu. To je důležitý předpoklad pro neomezené využití informačního obsahu měření při rychlostech ohřevu až 500 K/min.

Závislost výsledků měření na změně rychlosti ohřevu vykazuje lineární korelaci při logaritmickém škálování rychlosti ohřevu. Proto je možné i srovnání s měřeními při běžných rychlostech ohřevu. Samotné kroky úbytku hmotnosti nejsou závislé na změně rychlosti ohřevu.

Také na příkladu tepelného rozkladu CaCO3 bylo jasně ukázáno, že rychlost ohřevu sice má vliv na výsledky měření, ale zároveň se řídí velmi dobře sledovatelným zákonem.

Použití rychlých rychlostí ohřevu tedy nevede ke ztrátě informací a skutečnost, že každé měření trvá pouze několik minut, přináší obrovský časový zisk, který výrazně zvyšuje průchodnost vzorků, a tím i účinnost termoanalytických přístrojů.

Termogravimetrické zkoumání brzdového obložení při 500 K/min umožnilo - kromě výrazně zvýšené propustnosti - také poprvé analyzovat materiály vystavené extrémním tepelným podmínkám za provozních podmínek.